地铁车体轻量化报告

城市轨道交通车辆结构与原理课程设计学院：城市轨道交通学院系（教研室）：车辆工程系课程名称：城市轨道交通车辆结构与原理课程代号：100135姓名：潘汪洋学号：101112215上海工程技术大学城市轨道交通学院2015年6月城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算目录1概述.....................................................................12总体技术条件.............................................................12.1任务...................................................................................................................................12.2技术条件...........................................................................................................................12.3总体方案...........................................................................................................................4（附每个人的设计内容简述）...............................................................................................73个人具体分工项目.........................................................74设计方案.................................................................84.1总体理念...........................................................................................错误!未定义书签。4.2尺寸设定............................................................................................错误!未定义书签。5工艺分析.................................................................85.1材料选定...........................................................................................错误!未定义书签。5.2焊接处理............................................................................................错误!未定义书签。6强度校核................................................................106.1车顶强度校核146.2新材料车体强度校核147总结....................................................................128结后语..................................................................129参考资料.................................................................1310附件：设计图............................................................1311组内分工................................................................13城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算1车体轻量化设计姓名潘汪洋学号1011122151概述随着国内外城市轨道交通的迅速发展，城市轨道交通已经成为城市轨道交通系统的主动脉，人们对地铁列车安全性和舒适性等方面的要求也越来越高。而车体是地铁车辆的主体部分，适当减轻车体、附属设备的质量不仅可以节约原材料减少加工时间，更有利于提高车辆的动力性能和减少建造成本。因此，在保证安全性和可靠性的的前提下，实现轻量化是地铁车辆设计的重要目标之一，也是城轨发展的大势所趋。车辆自重减轻可以降低运行阻力，节省牵引以及制动需要的能量，减少车辆和轨道的维护成本，直接减少建造车辆使用的材料。因而，车体轻量化是城市轨道交通发展的趋势。2总体技术条件2.1任务城市轨道交通车辆的主体部分是车体。为了确保列车安全、准时、可靠地运行，对列车车体强度有相关指标规定。因此车体轻量化也要在确保其在各项要求的范围内，既减轻车体重量又能保证列车正常运行和乘客乘坐安全。本设计旨在采用先进的设计实现车体轻量化的同时，为司乘人员提供最安全和最舒适的乘坐环境，既节省能源、降低维修成本又能提供最大的使用率和可靠性。2.2技术条件线路特征：线路为全隧道车辆参数车辆特征：车型为A型车，车种为M车（无受电弓带空调的动车），一端为半永城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算2久牵引杆,另一端为半自动车钩。车身和底架结构：镁合金，泡沫铝合金车体的静态抗压强度为：1200KN2..2.1车辆尺寸带车钩的车辆长度：22.8m车辆最大高度(车顶到轨道表面):3.805m车辆最大宽度:3.0m地板面距轨面高:1,130mm(新轮)转向架中心距离:M=15.7m转向架:轴距:2.5m新轮:840mm磨耗轮:770mm乘客通过门:滑动外推式电控车门:每边5个宽度,最小净开度:1,300mm高度,净开:1,950mm门的开关时间由微处理器进行调整.乘客车厢车窗双层玻璃，带颜色的，一整块长的位于两个门柱之间。乘客载荷：舒适载荷AW1：满座额定载荷AW2：6人/m2拥挤载荷AW3：9人/m2城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算3乘客数量总人数乘客总质量每位60KG乘客总人数AW000乘客总人数AW1382280乘客总人数AW221813080乘客总人数AW3305183002.2.2.1车体下方悬吊装置类别重量备注转向架（包含牵引电机）7200KG/台单台车体两个转向架单元制动器360KG单台车体一台单元制动机辅助逆变器1200KG单台车体一台电抗器34KG单台车体一台可变电阻器8.5KG单台车体一台2.2.2.2车体其他装置类别重量备注空调750KG/台单台车体两个空调内外装饰件3200KG主要包括侧墙板和内部设施设备等2.2.3列车动态参数车速：最高运行速度：120km/h城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算4运行电压：1500VDC最大电压：1800VDC最小电压：1000VDC牵引工况：在1,500VDC，干燥平直轨道以及AW2载荷下（如：6人/m2）：初始加速度：0.97m/s2（0–35km/h）计算的粘着限制：16%平均加速度：0.6m/s²（0–120km/h）制动模式下的工况：在干燥、平直轨道以及AW3载荷下（如：9人/m2）：平均常用减速度：1m/s²瞬间减速度：1.11m/s²最大冲动极限：0.75m/s3平均紧急减速度：1.2m/s²（注：平均紧急减速度－列车制动前速度120km/h与从司机按下紧急制动按钮到列车停止这一过程时间的比值）瞬间紧急减速度：1.3m/s²瞬间快速制动减速度：1.3m/s²最大粘着限制：15%2.2.4列车寿命本车辆的使用寿命至少为30年。在以下条件下，车辆的寿命不予保证：车辆用于客运以外的目的；维修工作没有按照维修手册执行；在产生较大故障时没有按车辆设计者的建议进行修理。2.3总体方案城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算5城市轨道交通车体主要由车顶、端墙、底架、底板、侧墙、内饰等构成。内饰又包括：吊环、栏杆、座椅等。碳纤维材料构成的整体承载结构是车体的骨架，它承受车体的自重以及运行时的各种载荷以及各种辅助设备的重量，是车体结构的主要部分。而车体内部设施的轻量化应保证在车辆运行过程中能够承受各种载荷而不变形。通过修改车体的结构和材料，车辆内饰（座椅/扶手/天花板）的结构和材料，实现车体轻量化（使用SolidWorks三维建模软件）使用ANSYS有限元分析软件进行强度校核校核是否符合GBT7928-2003地铁车辆通用技术条件否车体轻量化成功是质量是否比原铝合金车体更轻是否城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算6我们从结构和材料两方面进行车体的轻量化设计。由于地铁列车载客量大且不定的情况下，其总体结构形式、性能和技术经济指标主要取决于车体材料，在设计城轨车体时，对车体构件和内部装饰所用材料的基本要求为：应具有构件所要求的高强度和刚性，重量轻、耐老化、耐污染、耐磨耗、耐腐蚀等特性，适用于提高舒适度。目前城市轨道交通车体采用的材料为：车辆专用经济形不锈钢和铝合金，我们对比了多种材料以后最终选取了铝合金和新型材料两种方案进行设计。方案一：铝合金材料铝合金材料密度低,而且强度比较高,接近或超过优质钢,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能,物理性能和抗腐蚀性能。铝合金材料优点颇多，应用范围广，也是现在城市轨道交通车辆多采用的材料，所以我们选用铝合金材料。方案二：新型材料（加入碳纤维的内容）镁合金的比强度要高于铝合金和钢、铁，其比刚度与铝合金和钢相当，在使用金属结构材料中其比重最小，这一特性对车辆减少能耗、轻量化具有非常重要的意义。镁合金具有极好的吸收能量的能力，可吸收震动和噪音，保证车辆能安静运行，镁合金的阻尼性比铝合金大数十倍，减震效果很显著。其抗冲击能力是塑料的20倍，当镁合金铸件收到冲击时其表面产生疤痕比铁和铝都要小得多。具城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算7有尺寸稳定和铸模生产率高、机械加工性能好的特点。镁具有很好的耐腐蚀性和高的散热性、再生性。另外，镁合金还具有抗疲劳性、无毒性、无磁性和较低的裂纹倾向性、不易破裂性等特点。结构方面（总体装备图）图1：总体方案设计图（附每个人的设计内容简述）车体内饰布置图3.1座椅座椅采用竖排布置，布置在两个车门之间，靠墙的窗下方。通过将椅背去除，将内部镂空，同时采用新材料实现轻量化。3.2栏杆扶手一组扶手固定在座椅的上方。另一组扶手固定在地板的中央。（平行于侧墙）。通过优化栏杆的形状，同时采用新材料来实现轻量化。3.3天花板天花板为自我支撑结构。其原材料为铝制结构，通过采用新型材料，减轻天花板的重量来实现轻量化。3个人具体分工项目轨道交通车体车顶设计城市轨道交通车辆结构与原理课程设计车体轻量化设计计算84设计方案4.1总体理念（从廖爱华给我们的资料中抄下来）车顶由两条块纵向中空型材上悬梁组成，它们构成了纵向的构件和车顶自身。所有这些纵向断面均为铝合金材料。由于车体为带空调无受电弓的M车，车顶应留有安装空调单元（凹入部分都由机械焊接镁合金制成）。考虑到维修人员爬上车顶进行空调和受电弓的维修，车顶可承受以下作用力：（1）在一个200cm2的区域内的1000N的垂向作用力（2）2个相距500mm的，单个作用于400cm2区域的1